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  <title>比特币如何挖矿（挖矿原理）-工作量证明 | 深入浅出区块链</title>
  








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          <h2 class="post-title" itemprop="name headline">比特币如何挖矿（挖矿原理）-工作量证明</h2>
        

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    <div class="post-body" itemprop="articleBody">

      
      

      
        <p>在<a href="/2017/10/25/whatbc/" title="区块链记账原理">区块链记账原理</a> 一篇，我们了解到记账是把交易记录、交易时间、账本序号、上一个Hash值等信息计算Hash打包的过程。<br>我们知道所有的计算和存贮是需要消耗计算机资源的，既然要付出成本，那节点为什么还要参与记账呢？在中本聪（比特币之父）的设计里，完成记账的节点可以获得系统给与的一定数量的比特币奖励，这个奖励的过程也就是比特币的发行过程，因此大家形象的把记账称为“挖矿”，本文将详细讨论这个过程。</p>
<a id="more"></a>
<h2 id="记账工作"><a href="#记账工作" class="headerlink" title="记账工作"></a>记账工作</h2><p>由于记账是有奖励的，每次记账都可以给自己凭空增加一定数量的个比特币（当前是12.5比特币，博文写作时每个比特币是4万人民币以上，大家可以算算多少钱），因此就出现大家争相记账，大家一起记账就会引起问题：出现记账不一致的问题，比特币系统引入工作量证明来解决这个问题，规则如下：</p>
<ul>
<li>一段时间内（10分钟左右，具体时间会与密码学难题难度相互影响）只有一人可以记账成功</li>
<li>通过解决密码学难题（即工作量证明）竞争获得唯一记账权</li>
<li>其他节点复制记账结果</li>
</ul>
<p>不过在进行工作量证明之前，记账节点会做进行如下准备工作：</p>
<ul>
<li>收集广播中还没有被记录账本的原始交易信息</li>
<li>检查每个交易信息中付款地址有没有足够的余额</li>
<li>验证交易是否有正确的签名</li>
<li>把验证通过的交易信息进行打包记录</li>
<li>添加一个奖励交易：给自己的地址增加12.5比特币</li>
</ul>
<p>如果节点争夺记账权成功的话，就可以得到12.5比特币的奖励。</p>
<h2 id="工作量证明"><a href="#工作量证明" class="headerlink" title="工作量证明"></a>工作量证明</h2><a href="/2017/10/25/whatbc/" title="区块链记账原理">区块链记账原理</a>我们了解到，每次记账的时候会把上一个块的Hash值和当前的账页信息一起作为原始信息进行Hash。<br>如果仅仅是这样，显然每个人都可以很轻松的完成记账。<br>为了保证10分钟左右只有一个人可以记账，就必须要提高记账的难度，使得Hash的结果必须以若干个0开头。同是为了满足这个条件，在进行Hash时引入一个随机数变量。<br><br>用伪代码表示一下：<br><br><br><figure class="highlight python"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">Hash(上一个Hash值，交易记录集) = <span class="number">456635</span>BCD</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<figure class="highlight python"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">Hash(上一个Hash值，交易记录集，随机数) = <span class="number">0000</span>aFD635BCD</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>我们知道改变Hash的原始信息的任何一部分，Hash值也会随之不断的变化，因此在运算Hash时，不断的改变随机数的值，总可以找的一个随机数使的Hash的结果以若干个0开头（下文把这个过程称为猜谜），率先找到随机数的节点就获得此次记账的唯一记账权。</p>
<h3 id="计算量分析"><a href="#计算量分析" class="headerlink" title="计算量分析"></a>计算量分析</h3><p>（这部分可选阅读）我们简单分析下记账难度有多大，<br>Hash值是由数字和大小写字母构成的字符串，每一位有62种可能性（可能为26个大写字母、26个小写字母，10个数字中任一个），假设任何一个字符出现的概率是均等的，那么第一位为0的概率是1/62（其他位出现什么字符先不管），理论上需要尝试62次Hash运算才会出现一次第一位为0的情况，如果前两2位为0，就得尝试62的平方次Hash运算，以n个0开头就需要尝试62的n次方次运算。我们结合当前实际区块#493050信息来看看：</p>
<p><img src="/images/block_info_493050.jpg" alt="区块#493050"></p>
<p>注：数据来源于<a href="https://blockchain.info" target="_blank" rel="noopener">https://blockchain.info</a><br>我们可以看到Hash值以18个0开头，理论上需要尝试62的18次方次，这个数是非常非常巨大的，我已经算不清楚了，应该是亿亿级别以上了。如此大的计算量需要投入大量的计算设备、电力等，<br>目前应该没有单矿工独立参与挖矿了，基本都是由矿工联合起来组成矿池进行挖矿（矿池里的矿工按算力百分比来分收益）。</p>
<p>从经济的角度讲，只有挖矿还有收益（比特币价格不断上涨也让收益变大），就会有新的矿工加入，从而加剧竞争，提高算力难度，挖矿就需要耗费更多的运算和电力，相互作用引起最终成本会接近收益。</p>
<p>题外话：国内由于电力成本较低，相对收益更高，中国的算力占整个网络的一半以上</p>
<h2 id="验证"><a href="#验证" class="headerlink" title="验证"></a>验证</h2><p>在节点成功找到满足的Hash值之后，会马上对全网进行广播打包区块，网络的节点收到广播打包区块，会立刻对其进行验证。</p>
<p>如果验证通过，则表明已经有节点成功解迷，自己就不再竞争当前区块打包，而是选择接受这个区块，记录到自己的账本中，然后进行下一个区块的竞争猜谜。<br>网络中只有最快解谜的区块，才会添加的账本中，其他的节点进行复制，这样就保证了整个账本的唯一性。</p>
<p>假如节点有任何的作弊行为，都会导致网络的节点验证不通过，直接丢弃其打包的区块，这个区块就无法记录到总账本中，作弊的节点耗费的成本就白费了，因此在巨大的挖矿成本下，也使得矿工自觉自愿的遵守比特币系统的共识协议，也就确保了整个系统的安全。</p>
<p>进阶阅读<a href="https://xiaozhuanlan.com/topic/1402935768" target="_blank" rel="noopener">比特币区块结构Merkle树及简单支付验证分析</a>，可以详细了解区块结构如何验证交易。</p>
<h2 id="说明"><a href="#说明" class="headerlink" title="说明"></a>说明</h2><p>矿工的收益其实不仅仅包含新发行的12.5比特币奖励，同时还有交易费收益（本文忽略一些细节是为了让主干更清晰）。</p>
<p>有兴趣的同学可以看看图中区块都包含了那些信息，红箭头标示出的是本文涉及的信息。</p>
<p>本文中有提到共识协议，比特币共识协议主要是由工作量证明和最长链机制 两部分组成，请阅读<a href="https://xiaozhuanlan.com/topic/0298513746" target="_blank" rel="noopener">比特币如何达成共识 - 最长链的选择</a>。</p>
<p><a href="https://learnblockchain.cn/">深入浅出区块链</a> - 系统学习区块链，打造最好的区块链技术博客<br>我的<strong><a href="https://t.xiaomiquan.com/RfAu7uj" target="_blank" rel="noopener">知识星球</a></strong>为各位解答区块链技术问题，欢迎加入讨论。</p>

      
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